4140 vs 1045: wybór stali na wały

Dwa domyślne wybory

1045 (EN C45 / 1.0503, JIS S45C) to zwykła stal średniowęglowa, około 0.45% C, zawierająca jedynie mangan. 4140 (EN 42CrMo4) dodaje chrom i molibden, które zmieniają przede wszystkim jedną właściwość: hartowność.

Hartowność decyduje w większości przypadków

Po zahartowaniu w oleju lub wodzie 1045 hartuje się na wskroś niezawodnie tylko w niewielkich przekrojach — mniej więcej do 25–30 mm w oleju, nieco więcej w wodzie przy ryzyku pęknięć. Poza tym zakresem rdzeń pozostaje miękkim perlitem, a wytrzymałość i trwałość zmęczeniowa spadają. 4140 w oleju zwykle hartuje się na wskroś w przekrojach 50–75 mm lub większych, a w postaci wstępnie hartowanej (powszechnie 28–32 HRC) zapewnia jednorodne właściwości w całym pręcie.

	1045	4140
Przekrój hartowania na wskroś	Mały	Średni–duży
Typowa wytrzymałość na rozciąganie po ulepszaniu cieplnym	~600–800 MPa	~850–1100 MPa
Granica zmęczenia	Niższa	Wyższa
Obrabialność (stan wyżarzony)	Doskonała	Dobra
Cena	Najniższa	Umiarkowana dopłata

Zmęczenie i obróbki powierzchniowe

W przypadku wałów obrotowych wytrzymałość zmęczeniowa rośnie wraz z twardością rdzenia i czystością: wał ze stali 4140 po ulepszaniu cieplnym ma wyraźną przewagę nad 1045 przy tej samej średnicy. Oba gatunki dobrze poddają się hartowaniu indukcyjnemu i obróbkom nawęglającym; w hartowanej indukcyjnie stali 1045 miękki rdzeń może być słabym punktem przy wysokim zginaniu lub pasowaniach wtłaczanych, natomiast mocniejszy rdzeń 4140 lepiej podtrzymuje warstwę utwardzoną.

Reguła decyzyjna

Stosuj 1045 do wałów małych i średnich, części z rowkami wpustowymi i gwintowanych oraz maszyn ogólnego przeznaczenia wrażliwych na koszty, szczególnie gdy wał jest używany w stanie normalizowanym lub hartowany powierzchniowo. Stosuj 4140, gdy średnica jest duża, wał jest silnie obciążony lub krytyczny zmęczeniowo albo gdy wstępnie hartowany materiał ze składu pozwoli pominąć etap obróbki cieplnej. Jeśli rysunek dopuszcza dowolny z gatunków, o wyborze zwykle uczciwie decyduje wymiar.

Dwie popularne drogi pośrednie

Wiele zakładów unika wyboru alternatywnego, zmieniając proces zamiast gatunku. Wał ze stali 1045 można zahartować indukcyjnie, aby uzyskać odporną na zużycie warstwę utwardzoną o twardości 50+ HRC na wytrzymałym, ekonomicznym rdzeniu — to standardowe rozwiązanie dla wałów pomp, walców i sworzni — pod warunkiem że obciążenia zginające utrzymują warstwę w stanie ściskania, a średnica miękkiego rdzenia jest wystarczająca. I odwrotnie, zakup 4140 w stanie wstępnie hartowanym całkowicie eliminuje etap obróbki cieplnej: wał jest obrabiany przy twardości 28–32 HRC i od razu oddawany do eksploatacji, co często sprawia, że 4140 jest łącznie tańsza niż 1045 wraz z hartowaniem, odpuszczaniem, prostowaniem i szlifowaniem wykończeniowym, mimo że sam pręt kosztuje więcej. Przy porównywaniu ofert należy wyceniać gotowy wał — materiał, obróbkę cieplną, naddatek na odkształcenia i ryzyko poprawek — a nie cenę pręta za kilogram; na tej podstawie 4140 wygrywa częściej, niż sugeruje porównanie samych materiałów, szczególnie w małych partiach, w których dominują opłaty za wsad do obróbki cieplnej.

Odpowiedniki i zakupy

1045 odpowiada EN C45 (1.0503) i JIS S45C; 4140 odpowiada EN 42CrMo4 (1.7225) i JIS SCM440. Oba gatunki są towarami masowymi magazynowanymi na całym świecie w postaci prętów okrągłych; 4140 dodatkowo w szerokim zakresie wymiarów wstępnie hartowanych.